南方行道樹除雪設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究

摘 要：基于對(duì)南方冬季普遍存在的行道樹積雪問題進(jìn)行深入的研究思考，考察了現(xiàn)實(shí)當(dāng)中積雪對(duì)于行道樹的壓垮情況。根據(jù)收集的信息和模型進(jìn)行了行道樹除雪設(shè)備的原理性設(shè)計(jì)，并且制作出初步的設(shè)計(jì)模型，用于清理我國(guó)南方的行道樹積雪清理。

關(guān)鍵詞：行道樹；積雪清理；自動(dòng)化；使用說明

在現(xiàn)代都市中，行道樹作為道路兩邊的綠化已經(jīng)越來越普遍，在我國(guó)南方載種的行道樹基本上以香樟等常綠喬木為主。這類樹木具有樹冠大、樹莖高大等特點(diǎn)。在近幾年湖州冬季屢屢受到極寒天氣的影響，行道樹經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)被積雪壓塌的情況，造成了不小的損失，而此款設(shè)備就能解決這個(gè)問題，它能夠有效的進(jìn)行行道樹的積雪清理，防止過度積雪對(duì)行道樹產(chǎn)生傷害，從而避免了人們因上述原因而造成的一些損失。

同時(shí)，它也避免了一些不必要的困難，可以將設(shè)備固定安裝在皮卡等移動(dòng)設(shè)備的后面，可以隨著車輛的移動(dòng)而且移動(dòng)，有效避免了移動(dòng)產(chǎn)生的困難，可以非常方便的處理積雪，同時(shí)它也可以適應(yīng)不同高度不同需求的樹木，減少了人工操作產(chǎn)生的困難和不便。

1 功能簡(jiǎn)介

除雪設(shè)備通過固定在移動(dòng)車輛上，通過傳感器來確定樹木樹冠的高度，通過內(nèi)部電路系統(tǒng)來調(diào)節(jié)輸出電路上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。通過三組電機(jī)和電位器的協(xié)作來帶動(dòng)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將掃雪的圓盤送到樹冠高度，再驅(qū)動(dòng)掃雪圓盤將樹冠上的積雪掃落下來。實(shí)現(xiàn)行道樹積雪處理的自動(dòng)化處理，有效解決了人工處理積雪危險(xiǎn)性大，效率低下的問題。即解決了行道樹積雪這一現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題。

2 “智能窗”的主要結(jié)構(gòu)

3 “智能窗”的物理原理

3.1 行道樹樹冠高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

利用了三自由度的機(jī)械臂系統(tǒng)來調(diào)節(jié)清掃轉(zhuǎn)盤的高度。即利用用大扭力減速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲桿結(jié)構(gòu)，同時(shí)帶動(dòng)結(jié)構(gòu)上的電位器同步旋轉(zhuǎn)，以確定旋轉(zhuǎn)的角度，以反饋控制機(jī)械臂的高度。電路部分利用電位器的反饋和對(duì)于樹冠高度判斷進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)打開時(shí)減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)將清掃的盤子上升到樹冠高度，感應(yīng)器感應(yīng)到樹冠時(shí)反饋給控制電路，控制電路防止電路再次返回。

3.2 震動(dòng)除雪掃雪結(jié)構(gòu)

利用擺輪組、圓柱直線導(dǎo)軌、減速電機(jī)等組合成一個(gè)圓盤掃雪除雪裝置，利用轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤和圓盤上的掃雪刷子可以將樹冠上的積雪清理下來，而內(nèi)置的擺輪則可以很好的給與刷子一個(gè)周期性的震動(dòng)，可以有效防止刷子和樹枝糾纏以及雪的積累。同時(shí)，電路部分利用電位器來感應(yīng)減速電機(jī)的狀態(tài)，當(dāng)感應(yīng)到有樹枝糾纏時(shí)便會(huì)停止電動(dòng)機(jī)，利用加大震動(dòng)其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，完成解開樹枝糾纏的作用。

4 “智能除雪設(shè)備”模型的制作方法

（1）利用三維軟件設(shè)計(jì)繪圖，確定尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（2）①自動(dòng)控制系統(tǒng)：在依據(jù)實(shí)際的需求，設(shè)計(jì)出基本的電路控制。依靠于數(shù)字電路設(shè)計(jì)基本電路，利用arduino作為控制器，逐步搭建控制器系統(tǒng)、上位機(jī)程序、驅(qū)動(dòng)部分模塊以及傳感器反饋。最后連接12v電源以及降壓模塊，調(diào)試程序功能。

②機(jī)械部分制作：按照強(qiáng)度結(jié)構(gòu)將 零件分為三組：第一組強(qiáng)度結(jié)構(gòu)比較小用3d打印去制作，另外一部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較大用鋁合金加工制作。第三部分易損耗用高碳高進(jìn)行cnc加工防止磨損。組裝調(diào)試。

（3）連接電路。

5 使用說明

（1）安裝好后，設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)；

（2）使用時(shí)，按下使用開關(guān)，控制電路件開始發(fā)出指令，電機(jī)啟動(dòng)；

（3）傳感器測(cè)量樹冠高度，電位器返回?cái)?shù)據(jù)，電機(jī)根據(jù)實(shí)際情況來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；

（4）有高度偏差時(shí)，允許人工參與校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)電機(jī)高度，高度合適時(shí)，電子控制元件開始發(fā)出指令，電刷開始運(yùn)動(dòng)，開始自動(dòng)除雪；

（5）無需除雪時(shí)，機(jī)械臂均可折疊收納。

6 相關(guān)拓展

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通也越來越成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，行道樹無論作為綠化裝飾還是平時(shí)隔離消聲的作用都日漸增強(qiáng)。保持道路空氣新鮮，擁有健康的道路駕駛環(huán)境也越來越成為現(xiàn)代人的共識(shí)。然而在現(xiàn)在的生活中，極端天氣的幾率不斷增加，行道樹被積雪壓垮的新聞屢見不鮮。為道路交通部門的運(yùn)作增加了負(fù)擔(dān)和道路安全增加了不確定因數(shù)。

本文介紹的除雪設(shè)備可以利用一般的卡車承載，利用汽車自身電能為此款除雪設(shè)備提供能源，有效提高了道路維護(hù)的效率。減少了安全隱患和維護(hù)成本。

此款智能窗主要是針對(duì)城市道路交通開發(fā)的一種功能專一的產(chǎn)品，其具有非常強(qiáng)大的需求。在現(xiàn)在的城市中對(duì)于此問題的處理仍出于空白階段，依靠人工除雪效率低、成本高。供需處理不平衡，仍需要進(jìn)行大量的處理才能完成。而此設(shè)備可有效的完成處理積雪，為道路安全提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃華梁，彭文生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).高等教育出版社，2001.

[2]楊芳春.電機(jī)傳動(dòng).高等教育出版社，1995.

作者簡(jiǎn)介：傅子耀（2005-），男，浙江湖州人，浙江省杭州市杭州二中白馬湖學(xué)校初一學(xué)生。

指導(dǎo)老師：呼格吉樂（1980-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古通遼人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，工程碩士學(xué)位，湖州師范學(xué)院省級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與物理教學(xué)儀器開發(fā)；王一超（1996-），男，漢族，浙江紹興人，湖州師范學(xué)院物理系大三學(xué)生。